中科院ZJ系列壓電參數d33系數特性測試裝置設計詳細介紹

發布時間：2022-12-30瀏覽次數：934返回列表

一、前沿分析：目前市場上主流的D33系數測試儀主要是中科院的ZJ-3型D33系數測量儀，ZJ-4型寬量程壓電D33測量儀和ZJ-6型D33/31/D15型綜合型系數測試儀，另外有針對于疊層壓電ZJ-5型D33系數測試儀這幾款常溫的設備，還有GDPT-900A型高低溫D33系數測試儀，這些基本上滿足目前的常溫壓電陶瓷和薄膜測試，針對于個別的極端條件下的測試可以采用GDPT-900A型變溫D33測試儀。這些都是目前高校和科研院校的重要測試儀。

二、主要原理介紹：

縱向壓電應變常數d33是壓電材料的基本物理參數。它不僅決定了壓電材料的性能，同時也直接影響著換能器的性能參數。另外，通過d33還可以導出其他參數，如靈敏度g33等。由于同一批材料的壓電陶瓷參數具有很大的離散度，故測量壓電陶瓷的d33是很有必要的。

影響d33測試準確度和穩定性的因素有很多，主要考慮以下因素心：壓力是否全部加于試樣，壓力的方向是否與試樣極化軸平行，測試電極是否平整和相互平行，受力和產生感應電效應的面積是否相等，壓力釋放瞬間是否有試樣抖動等。另外，測試線路的絕緣狀況、電容和輸入阻抗等性能參數也對此有影響。

d33的檢測方法有多種。中國科學院聲學所研制了以動態法原理工作的自動測量儀Ⅲ。該測量儀既保持了動態法的特點，又避免了人工操作、費時的不足，是一種簡捷、快速測試d33的工具。近年來，國外研制了可與計算機聯機的數控阻值測量儀，如HP4192A阻抗分析儀，采用的仍然是檢測壓力作用下產生電荷的準靜態法，通過檢測受壓產生電荷，但由于電荷衰減、泄漏、電荷放大器要求苛刻等因素，在一定程度上影響了檢測的精度，且價格昂貴，推廣較難。上述方法測得同一樣品的鞏。值并不完全一致，從而造成檢測的d33參數只具有參考意義，可比性卻受到限制。本文設計了一種基于掃頻方法的凼。參數測試裝置。該裝置采用諧振與反諧振頻率的檢測方法，保持了動態法測量參數多、精度高的特點；同時，還可以檢測計算其他PZT參數，避免了人工操作繁瑣、計算費時的不足，拓寬了動態法的應用范圍。

1 d33的測量原理

d33反映的是在壓電晶體上施加單位電壓時所產生的應變力，稱為壓電應變常數。

壓電陶瓷的電壓為

式中，C。為總電容量(F)；F。為沿陶瓷極化方向的作用力(N)。壓電陶瓷d33的測量方法較多，如電測法、聲測法、力測法和光測法等，其中以電測法為普遍。電測法又主要分為以下3種：①靜態法。靜態法是利用壓電陶瓷的正壓電效應，即在試樣上外加一個恒定力F3，通過測量試樣所產生的電荷Q而測定材料的d33的方法。②動態法。即“諧振一反諧振法”，通過測量壓電陶瓷板狀陶瓷片的特征頻率，并利用一些參數確定板狀陶瓷片材料的d33③準靜態法。其基本原理與靜態法相同，區別在于施加在試樣上的力F。不是恒定的，而是一個低頻交變的振動力。

上述d33測試方法能直觀地反映壓電陶瓷元件的受力與產生的電荷之間線性關系的壓電效應；在測試方法上，也有使用計算機在線測試裝置的，但都基于壓電陶瓷在測試環境中進行。

2 d33參數測試裝置設計

2．1 硬件設計

本設計以AT89S52單片機為控制與參數計算電路。信號發生器輸出連續的模擬激勵掃頻信號，通過P3．4口施加到壓電陶瓷片；ADC0832檢測模擬信號的電壓、電流幅值，將其轉換成數字信號送人單片機，通過測得的電壓、電流、掃頻諧振與反諧振頻率參數計算得到d跏系統功能程序包括：外部數據采集、激勵信號采集、諧振與反諧振頻率計算、d33參數計算、故障狀態處理與報警等。

信號發生器輸出的激勵信號與檢測電路如圖1所示。激勵信號的頻率為(35～45)kHz。通過掃頻程序獲得諧振fr與反諧振頻率fa，利用電阻R、電感L、電容C與電壓、電流的關系，根據公式即可求得壓電陶瓷的d33.

壓力調整部分結構圖如圖2所示。系統硬件由單片機壓力檢測與調節、掃頻信號輸出與諧振頻率計算等組成。壓力調節部分將檢測的壓力信號和設定值進行比較，決定電動機的正、反向運行狀態。

工作流程如下：單片機單元一壓力檢測與調整一掃頻信號輸出與諧振頻率檢測計算，從而實現d33的計算。

為提高測量精度，選擇信號發生器輸出的頻率(35～45)kHz進行數據測量、轉換、記錄，后計算得到d33。測試與計算流程如圖3。

2．2測量方法

本測試裝置選用動態檢測方式測量d33參數。通過掃頻測量，計算得到fr與fa，利用

式中，Z為阻抗；W為掃頻信號頻率。

聯立求解，可得到方程中的3個未知數R、L、C(主要是C參數)的具體數值，從而計算得到壓電應變常數d33。

測試電路采用傳輸線路法，如圖4所示。由于試樣本身的電容量很小，故夾具及測試系統的分布電容與自由電容Cr，之比應不大于1／10，否則，測試結果要進行修正。

該方法測試d33值對試樣幾何尺寸要求如下：板狀陶瓷片的長度L與寬度W之比，即L／W>5，以確保板狀陶瓷片的單一縱向長度伸縮振動的模式，避免其他振動模式對測試結果的干涉；否則，諧振曲線將出現寄生峰，不易確定諧振頻率。已知試樣材料體積密度ρ(kg／m3)，自由電容CT(F)(含低頻時測出的板狀陶瓷片的靜、動態電容總值C。、C?，之和，即C。+C?。)，長度L(mm)，厚度d(mm)，寬度W(mm)，試樣電極面積S(mm2)，通過加入掃頻激勵信號檢測試樣的串聯諧振頻率fs(Hz)、并聯諧振頻率fp(Hz)，以便計算d33值。在d33的計算過程中，要求時間與頻率。由于測量fs和fp。有難度，故可以參考兀型網絡傳輸法來測量大諧振頻率及反諧振頻率，此處，fs、fp可用fr、fa代替。

3測試實驗與分析

對2組L *W* d分另H為20 mm x 5 mm x1 mm與60 mm×5 mm×1 mm的待測壓電陶瓷片各5個，施加給定的壓力0.5 N，進行測試實驗，由壓電陶瓷片參數(R、L、C)檢測計算得到對應的d33。檢測過程所施加的測試變頻(35～45 kHz)信號每lo s進行信號頻率調節，分別為(40±o．5xn)kHz。單片機采樣獲取不同頻率激勵信號的電流、電壓值，檢測計算R、L、C及d33。

待測樣品的d33參數測試計算結果如表1所示，與采用標準d33參數測量儀進行測試比較。結果表明，測試結果的大與小值之間的極差穩定在可接受的范圍內，與標準測試儀測試得到的數值相比，誤差小于5％。實際檢測得到的壓電陶瓷片參數(R、L、C)與標準測量儀測得的參數有較好的一致性，有效提高了測試效率，為后續在線測量算法與裝置的設計提供了條件。

表1測試的d33計算參數

4結語

本文設計了一個基于單片機的壓電陶瓷d33參數動態測試裝置。通過測量在壓力恒定條件下不同頻率時電路的電流變化，間接觀測出現的諧振與反諧振過程，實現了在線壓電陶瓷d33參數測量，與標準d33測試儀器檢測的結果進行了比較。本文采用類似于計算諧振與反諧振頻率的方法，為測試壓電參數提供了一種方法。在計算d騶的過程中，還可同時計算得到其他參數。若通過一定改進，附加被測樣品的自動輸送機構，可以有效地提高測試過程效率。

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